Linux修炼之路之进程控制

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于 2025-01-29 17:50:00 首次发布

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一:进程创建

在进程中创建一个子进程使用的是fork系统调用函数

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：自进程中返回0，父进程返回子进程id，出错返回-1

进程调用 fork ，当控制转移到内核中的 fork 代码后，内核做:

分配新的内存块和内核数据结构给子进程

将父进程部分数据结构内容拷贝至子进程

添加子进程到系统进程列表当中

fork 返回，开始调度器调度

fork 之前父进程独立执行， fork 之后，父子两个执行流分别执行。注意， fork 之后，谁先执行完全由调度器决定。

写时拷贝

通常，父子代码共享，父子再不写入时，数据也是共享的，当任意一方试图写入，便以写时拷贝的方式各自一份副本。具体见下图:

在这其中，当新增页表项时修改权限为只读，当子进程开始写入时，就会触发系统错误，触发缺页中断，经过系统检测，就会判定是否要发生写时拷贝，若发生的话，就会申请内存，发生拷贝，修改页表，然后恢复执行，恢复权限等

二：进程终止

上面的表示在命令行中，最近一个程序退出时的退出码，而相同的main函数的返回值是返回给父进程或系统的，这个退出码表明错误原因，其中0表示成功，非0表示对应的错误，即使用不同的数字，约定或者表明出错的原因，因此系统提供并约定了一批的错误码，使用的是errno是个int 类型的数字，表示错误码，strerror(errno)可以打印出对应的错误信息

进程终止的几种方法

1.main函数中return

2.使用exit可以在代码的任何地方，表示进程结束

3.使用_exit函数

exit与_exit的区别与联系

exit是个c标准库的函数，底层调用的是系统调用_exit函数，exit在终止进程之前会调用fflush函数来刷新缓冲区，而_exit是个系统调用并不会调用fflush来刷新缓冲区，而这个缓冲区也是一个语言级别的缓冲区

三：进程等待

1.等待的必要性

之前讲过，子进程退出，父进程如果不管不顾，就可能造成 ‘ 僵尸进程 ’ 的问题，进而造成内存泄漏。

另外，进程一旦变成僵尸状态，那就刀枪不入， “ 杀人不眨眼 ” 的 kill -9 也无能为力，因为谁也没有办法杀死一个已经死去的进程。

最后，父进程派给子进程的任务完成的如何，我们需要知道。如，子进程运行完成，结果对还是不对，或者是否正常退出。

父进程通过进程等待的方式，回收子进程资源，获取子进程退出信息

2.使用wait方法进行等待

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int*status);
返回值：
 成功返回被等待进程pid，失败返回-1。
参数：
 输出型参数，获取子进程退出状态,不关心则可以设置成为NULL

一般而言，父进程创建子进程，父进程就要等待子进程，直到子进程结束，回收子进程的僵尸状态。在等待的时候，若子进程一直不退，父进程就要阻塞在wait函数内部。

进程结束的话分为正常结束和异常结束，若是异常结束的话，就要获取异常的原因，因此可以使用waitpid来进行等待

3.使用waitpid方法进行等待

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
返回值：
 当正常返回的时候waitpid返回收集到的子进程的进程ID；
 如果设置了选项WNOHANG,而调用中waitpid发现没有已退出的子进程可收集,则返回0；
 如果调用中出错,则返回-1,这时errno会被设置成相应的值以指示错误所在；
参数：
 pid：
 Pid=-1,等待任一个子进程。与wait等效。
 Pid>0.等待其进程ID与pid相等的子进程。
 status:
 WIFEXITED(status): 若为正常终止子进程返回的状态，则为真。（查看进程是否是正常退出）
 WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED非零，提取子进程退出码。（查看进程的退出码）
 options:
 WNOHANG: 若pid指定的子进程没有结束，则waitpid()函数返回0，不予以等待。若正常结束，则返回该子进
程的ID。

如果子进程已经退出，调用 wait/waitpid 时， wait/waitpid 会立即返回，并且释放资源，获得子进程退出信息。

如果在任意时刻调用 wait/waitpid ，子进程存在且正常运行，则进程可能阻塞。

如果不存在该子进程，则立即出错返回。

wait 和 waitpid ，都有一个 status 参数，该参数是一个输出型参数，由操作系统填充。

如果传递 NULL ，表示不关心子进程的退出状态信息。

否则，操作系统会根据该参数，将子进程的退出信息反馈给父进程。

status 不能简单的当作整形来看待，可以当作位图来看待，具体细节如下图（只研究 status 低 16 比特位）

对于进程退出的几种情况

1.代码跑完，结果对，return 0

2.代码跑完，结果不对，return !0

3.进程异常

对于前两种情况，进程退出时的信息都是通过退出码来获得的，而当进程异常时，OS会提前使用信号终止进程，在进程的退出信息中也会记录下来自己的退出信号

使用代码来获取

#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main( void )
{
 pid_t pid;
 if ( (pid=fork()) == -1 )
 perror("fork"),exit(1);
 if ( pid == 0 ){
 sleep(20);
 exit(10);
 } else {
 int st;
 int ret = wait(&st);
 
 if ( ret > 0 && ( st & 0X7F ) == 0 ){ // 正常退出
 printf("child exit code:%d\n", (st>>8)&0XFF);
 } else if( ret > 0 ) { // 异常退出
 printf("sig code : %d\n", st&0X7F );
 }
 }
}
测试结果：
 [root@localhost linux]# ./a.out #等20秒退出
 child exit code:10 
 [root@localhost linux]# ./a.out #在其他终端kill掉
 sig code : 9

4. 阻塞与非阻塞问题

对于waitpid，当等待成功时，返回的是子进程的pid;当返回值是0时，等待成功，但是子进程没有退出;当返回值<0时，说明等待失败

对于option选项，当填写0时表示阻塞等待，WNOHANG表示非阻塞等待；而对于非阻塞等待，是由自己循环调用非阻塞接口，完成轮询检测，这样可以让自己做更多的事

代码示例

//阻塞等待
int main()
{
 pid_t pid;
 pid = fork();
 if(pid < 0){
 printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
 return 1;
 } else if( pid == 0 ){ //child
 printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
 sleep(5);
 exit(257);
 } else{
 int status = 0;
 pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5S
 printf("this is test for wait\n");
 if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){
 printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
 }else{
 printf("wait child failed, return.\n");
 return 1;
 }
}
 return 0;
}
运行结果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.


//非阻塞等待
#include <stdio.h> 
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
int main()
{
 pid_t pid;
 
 pid = fork();
 if(pid < 0){
 printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);
 return 1;
 }else if( pid == 0 ){ //child
 printf("child is run, pid is : %d\n",getpid());
 sleep(5);
 exit(1);
 } else{
 int status = 0;
 pid_t ret = 0;
 do
 {
 ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG);//非阻塞式等待
 if( ret == 0 ){
 printf("child is running\n");
 }
 sleep(1);
 }while(ret == 0);
 
 if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){
 printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));
 }else{
 printf("wait child failed, return.\n");
 return 1;
 }
 }
 return 0;
}

四:进程程序替换

用 fork 创建子进程后执行的是和父进程相同的程序 ( 但有可能执行不同的代码分支 ), 子进程往往要调用一种 exec 函数以执行另一个程序。当进程调用一种exec 函数时 , 该进程的用户空间代码和数据完全被新程序替换 , 从新程序的启动例程开始执行。调用exec 并不创建新进程 , 所以调用 exec 前后该进程的 id 并未改变。

替换函数

#include <unistd.h>`
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ...,char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

这些函数如果调用成功则加载新的程序从启动代码开始执行,不再返回。
如果调用出错则返回-1
所以exec函数只有出错的返回值而没有成功的返回值。

其中的path表示要执行程序的路径，file表示要执行的程序可以不用带路径

示例：

#include <unistd.h>
int main()
{
 char *const argv[] = {"ps", "-ef", NULL};
 char *const envp[] = {"PATH=/bin:/usr/bin", "TERM=console", NULL};
 execl("/bin/ps", "ps", "-ef", NULL);
 // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 execlp("ps", "ps", "-ef", NULL);
 // 带e的，需要自己组装环境变量
 execle("ps", "ps", "-ef", NULL, envp);
 execv("/bin/ps", argv);
 
 // 带p的，可以使用环境变量PATH，无需写全路径
 execvp("ps", argv);
 // 带e的，需要自己组装环境变量
 execve("/bin/ps", argv, envp);
 exit(0);
}

当需要自己新增环境变量时，可以使用putenv的方式，传递给execle等